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La leçon de physique n° 4 du professeur Cannepasse-Riffard

De l’infiniment grand à l’infiniment petit : la physique devient quantique

Au moment même où la théorie de la relativité commençait à s’imposer aux physiciens, une autre théorie qui portait en elle les germes d’une immense révolution scientifique s’installait, bouleversant tous les modes de pensée...

Cette nouvelle théorie non seulement balayait les vieux concepts classiques épargnés par la relativité mais elle touchait à l’une des certitudes fondamentales de la science moderne, celle de l’observateur : elle mettait en cause le rôle qu’il joue dans le mécanisme de mesure d’un fait.

Paradoxe dans la lumière

A la fin du XIXe siècle, les physiciens s’intéressent aux corps chauffés et étudient la relation qui existe entre la couleur, la longueur d’onde et la température. En 1900, Max Planck formule l’hypothèse que la matière d’un corps noir émet son énergie par saccades, par paquets d’énergie, par « quanta », selon son expression. Cette hypothèse révolutionnaire introduit la notion de discontinuité dans le rayonnement, alors que la plupart des physiciens considèrent à cette époque la lumière comme un phénomène ondulatoire continu.

En 1905, en plus de la théorie de la relativité, Einstein montre qu’un rayon de lumière se manifeste sous forme d’une succession de minuscules « boulets ». Chaque boulet, chaque quantum de lumière est appelé photon. Ainsi la lumière est de nature ondulatoire et de nature corpusculaire, deux modèles qui s’excluent l’un et l’autre : c’est le paradoxe de la dualité onde-corpuscule.

Erwin Schrödlinger, illustre physicien autrichien, pose l’équation fondamentale de la physique quantique, qui est une généralisation des travaux sur la dualité onde-corpuscule de la lumière, laquelle peut se manifester, selon les circonstances, soit comme une particule, le photon, soit comme une onde électromagnétique.

Toutes les particules, qu’elles soient de lumière ou de matière, nous apparaissent soit comme des ondes, soit comme des corpuscules mais elles ne sont ni des ondes ni des corpuscules ! La mécanique quantique ne donne pas une description de l’objet en soi mais propose un calcul des observations possibles. Ainsi, pour l’atome d’hydrogène, on calcule la probabilité de trouver l’électron dans les différentes positions de l’espace autour du noyau.

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Les états quantiques de l’atome d’hydrogène
Probabilité de la présence de l’électron dans l’espace : la probabilité est d’autant plus forte que la zone est plus claire

Le principe d’incertitude ou d’indétermination

Le physicien allemand Heisenberg pose les relations d’incertitude qui ont permis d’approfondir la compréhension de la cohérence interne de la théorie quantique. Avec lui, nous découvrons qu’il existe une limite inférieure que nous ne franchirons jamais sans nous aventurer dans le royaume de I’incertitude. Lorsque nous pénétrons progressivement dans le monde subatomique, nous atteignons un certain point où l’image de la Nature se brouille.

On ne peut prétendre caractériser une particule quantique par les mêmes attributs qu’un corpuscule classique. Tout ce que nous pouvons dire, c’est qu’il y a une manifestation d’une présence qui ne peut jamais être connue comme une chose. II est aussi impossible d’attribuer un chemin ou une trajectoire bien définie à une particule quantique.

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Modèle "planétaire" de l’atome
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L’atome tel qu’il est représenté aujourd’hui par tous les physiciens

Un autre point important du principe d’incertitude est que, au niveau atomique, l’acte d’observation modifie l’état de la particule. On ne pourra donc jamais observer quelque chose sans le modifier. Mesurer ou observer, c’est perturber le phénomène qu’on se propose d’étudier, c’est interagir avec lui. Une autre conséquence surprenante de la relation d’Heisenberg est qu’on ne peut parler des propriétés d’une particule quantique sans spécifier très précisément le dispositif expérimental avec lequel on pratique la mesure : la réalité quantique est en partie une réalité créée par l’observateur.

« Un phénomène n’est pas réel tant qu’il n’est pas observé », souligne le physicien John Wheeler.

En définitive, la relation d’incertitude met en évidence notre impuissance définitive et sans appel à pénétrer « l’être » des choses, le dedans de l’univers. On ne peut connaître l’univers de l’extérieur grâce à un processus analytique comportant fatalement un observateur et une chose observée. Plus on tente de cerner le réel, plus il semble nous fuir.

Relativité et physique quantique : le feu et la poudre

Le début du XXe siècle a vu la formulation de deux grandes théories qui ont révolutionné la physique et notre vision du monde : la théorie de la relativité et la théorie quantique.

Relativité et mécanique quantique constituent le cadre conceptuel dans lequel se développe la physique actuelle.

La théorie quantique est un cadre conceptuel qui permet de comprendre les propriétés microscopiques de la Nature. La relativité restreinte et générale imposent, quant à elles, un changement radical de point de vue lorsque les objets se déplacent extrêmement vite ou sont très massifs.

Mais les domaines d’application de ces théories sont si différents que, dans la plupart des cas, on doit utiliser l’une ou l’autre théorie, mécanique quantique ou relativité générale, mais pas les deux.

Tout comme l’association du feu et de la poudre, l’union de la théorie quantique et de la relativité générale est explosive. Certains problèmes physiques, pourtant correctement posés, conduisent à des résultats aberrants quand on applique ces deux théories.

L’incompatibilité entre ces deux théories, qui est le problème central de la physique théorique moderne, attire notre attention sur une carence fondamentale de notre compréhension de la Nature.

Extraits de Physique de la matière de Raphaël Cannenpasse-Riffard (éditions Marco Pietteur)

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